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深海科学研究

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  • 深水珊瑚研究进展
    汪品先
    地球科学进展. 2019, 34(12): 1222-1233. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.12.1222
    摘要 (1588) PDF全文 (561) HTML (22)   可视化   收藏

    2018年在南海发现的深水珊瑚林,为底栖生物乃至碳循环研究弥补了重大空缺。受技术限制,以前深海底栖生物的研究主要局限在沉积覆盖的软基底,以为石质海底是一片贫瘠世界。1990年代中期,应用深潜技术首先在大西洋发现了深海珊瑚礁,为海洋科学开辟了新的研究方向。深海珊瑚包括两类:一类是属于六方珊瑚的石珊瑚,以其文石质的外骨骼形成珊瑚礁;另一类是以柳珊瑚为主的珊瑚林,柳珊瑚属于八方珊瑚,可以形成高镁方解石的骨骼。这些碳酸盐骨骼都能够记录深海的环境变化,是古海洋学研究的绝佳材料。太平洋由于文石补偿面过浅,不利于深水珊瑚礁发育,深水珊瑚林应当普遍发育,可惜至今尚未得到重视,绝大部分海域属于研究空白。通过对深水珊瑚礁和珊瑚林的组成以及分布的介绍,讨论深水珊瑚林在海洋生态学中的重要性及其在古海洋学再造中的意义。

  • 深水珊瑚研究进展
    罗中原,李江涛,贾国东
    地球科学进展. 2019, 34(12): 1234-1242. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.12.1234

    深水珊瑚生存在黑暗的冷水环境中,为其提供能量和营养的食物源于哪里,是一个关键的生态学和生物地球化学问题。目前的主流认识是珊瑚的食物主要来自于表层海水生产的沉降有机质,但越来越多的研究发现它们能够通过与多种化能自养和异养微生物共生来获得食物供给。深水珊瑚的碳、氮同位素可用来示踪和揭示珊瑚的食物来源,也可用于重建古海洋初级生产者构成和表层海水硝酸盐同位素的变化,成为古海洋生物地球化学研究的宝贵材料。但由于与微生物共生现象的广泛存在,运用深水珊瑚有机碳、氮同位素来反映表层海洋环境变化的可靠性还有待进一步验证。南海近年来发现的深水柳珊瑚林,在国际上仍属认识相对匮乏的新领域,对其开展生物化学基础和古海洋学重建研究,能够为了解深水珊瑚系统提供新的见解。

  • 深水珊瑚研究进展
    黄恩清,孔乐,田军
    地球科学进展. 2019, 34(12): 1243-1251. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.12.1243
    摘要 (1037) PDF全文 (459) HTML (11)   可视化   收藏

    冷水珊瑚古环境应用研究的首要问题是建立精确的年龄模式。目前常用的珊瑚定年技术包括U/Th,AMS 14C和210Pb测年,其中前两种方法尤为重要。不同冷水珊瑚属种适用不同的定年方法。高镁方解石质的竹节柳珊瑚可用AMS 14C和210Pb测试方法定年。竹节柳珊瑚具有清晰的生长纹层,厘定其年龄模式后,可以成为中—深层大洋环境演变的高分辨率记录载体。文石质石珊瑚同时适用于U/Th和AMS 14C测年方法,在古海洋研究中有特殊价值。由于u/Th测年可以提供样品的绝对年龄,因此进一步计算可获得中—深层大洋的碳储库年龄,这为探究轨道和千年时间尺度上大洋—大气碳交换这一重大学术问题提供了可靠资料。冷水珊瑚测年数据发现末次冰消期时,赤道大西洋和南大洋中层水的碳储库年龄在Heinrich Stadial 1事件结束前后突然大幅度减小,很可能表示深部大洋一部分无机碳转移进入了大气圈,或者代表Heinrich Stadial 1事件前后大西洋中层水分别主要受南半球和北半球潜沉水团的影响。

  • 深水珊瑚研究进展
    孔乐,黄恩清,田军
    地球科学进展. 2019, 34(12): 1252-1261. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.12.1252

    冷水珊瑚是开展中—深层海水高分辨率古海洋学研究的理想载体。不同于浅水珊瑚,冷水珊瑚受到生命效应的强烈影响,其δ18O亏损4‰~6‰,δ13C亏损约10‰,因此利用冷水珊瑚氧、碳同位素恢复古水温时需要校正。综述了利用冷水珊瑚氧、碳同位素重建中—深层海水古温度的原理和方法,以及现有的3种冷水珊瑚钙化模型及优缺点。提出需要进行进一步的微区分析及针对性实验来阐明冷水珊瑚的钙化过程。

  • 深水珊瑚研究进展
    党皓文,马小林,杨策,金海燕,翦知湣
    地球科学进展. 2019, 34(12): 1262-1272. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.12.1262
    摘要 (1018) PDF全文 (456) HTML (14)   可视化   收藏

    广泛分布于海洋深部的竹节珊瑚,以其碳酸钙和蛋白质相间的“竹节状”骨骼而得名,且横向上具有“树轮状”生长纹层。利用竹节珊瑚进行古海洋学再造,可以填补传统方法在时间和空间上的空缺。着重介绍竹节珊瑚的无机地球化学指标方法,包括Mg/Ca温度计、Ba/Ca营养物浓度计和δ11B-pH计,并简要描述了生命效应的潜在影响。最近在西太平洋海域新发现的深海竹节珊瑚林,开拓了竹节珊瑚古海洋学研究的新领域。

  • 大洋钻探科学目标展望
    汪品先
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1229-1235. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1229
    摘要 (1157) PDF全文 (636) HTML (15)   可视化   收藏

    在国际大洋钻探的2017年论坛会上,中国方面提出讨论“IODP beyond 2023”的建议,由中国牵头共同讨论2023年以后大洋钻探新阶段的科学计划,得到会议的支持。为此,通过对几十年来国际大洋钻探科学计划的制定进行回顾,分析了近年来国际学术界对大洋钻探未来任务和学术前景的看法,进而对我国如何筹备“IODP beyond 2023”的国际研讨提出了建议。 半个世纪以来,大洋钻探始终是国际地球科学的火车头和深海探索的航母,我国牵头研讨其新阶段的科学计划,将促进我国地球科学的转型;至于此举能否取得成功,将取决于广大地球科学界的积极参与及其创造性思维的发挥。

  • 大洋钻探科学目标展望
    王汝建, 肖文申, 章陶亮, 聂森艳
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1236-1244. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1236

    南北极在全球海平面变化和碳循环中扮演着关键角色,并蕴藏着地球如何从新生代初期的温室转向现代冰室演变过程的关键信息,因而成为地球科学研究的热点地区。极地地质钻探计划(如DSDP/ODP/IODP/ICDP)研究所取得的成就令人瞩目,刷新了人类对过去全球变化的认识,成为探究地球气候系统演化的一个窗口。通过这些钻探计划,发现了新生代以来气候变冷,南北极冰盖几乎同时形成;揭示了南极冰盖形成和陆地风化的加剧,导致南极中深层水和底层水的生产加速并向北推进,造成全球大洋环流的重大变化;南大洋对大气CO2的调控作用、全球大洋深部循环、营养盐的分布和海洋生产力等多方面在不同时间尺度上都发挥着重要作用;检验了南北极冰盖形成和消融与海平面变化的关系,为人类预测未来海平面变化提供了历史依据。未来的南北极国际大洋发现(IODP)计划将继续关注于极地冰盖的演变历史、南大洋古海洋学演变历史,追踪北极海—陆环境的联系及其对全球气候的影响。这些结果将对未来全球气候预测提供重要的参考和边界条件。

  • 大洋钻探科学目标展望
    周怀阳
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1245-1252. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1245

    一般认为,地球物理上的莫霍面是地幔和地壳的分界面。被海水覆盖的洋壳通常只有6~7 km厚,相对于较厚的陆壳来说,洋壳不仅年轻得多,也活跃得多。然而,洋壳的地质结构以及莫霍面的地质意义到底是什么,至今仍是固体地球科学领域最大的悬疑之一。现有的结果表明,依据分布在大陆边缘的蛇绿岩套确定的Penrose模型基本不适用于慢速和超慢速扩张洋中脊的实际洋壳结构,对快速扩张洋中脊的适用性也有一定的疑问。解答洋壳结构及其莫霍面地质意义最有效的手段仍是大洋钻探。20世纪60年代初,试图挺进莫霍面的“莫霍钻”计划揭开了地球科学最伟大的大洋钻探计划的序幕。新世纪以来,随着各种研讨和计划的切实开展,人类真正实现莫霍钻梦想的日子似乎正在来临。

  • 大洋钻探科学目标展望
    林间, 徐敏, 周志远, 王月
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1253-1266. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1253
    摘要 (2338) PDF全文 (783) HTML (17)   可视化   收藏

    俯冲带是地球最重要的板块边界之一,对研究地球内部的物质与化学成分循环、岛弧与陆壳的形成以及地震与海啸机制至关重要。大洋钻探对于研究俯冲带过程具有不可替代的作用。回顾了全球俯冲带过程的大洋钻探研究,简述近年来取得的重要进展、科学目标以及对我国大洋钻探发展规划的启示。

  • 大洋钻探科学目标展望
    翦知湣, 党皓文
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1267-1276. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1267
    摘要 (1514) PDF全文 (1028) HTML (12)   可视化   收藏

    2013年启动的国际大洋发现计划(IODP)针对当前大气温室气体浓度急剧升高和全球变暖的气候变化现状,提出全球气候对CO2增高的响应、冰盖和海平面对全球变暖的响应、中—低纬水文循环的变化机制以及海洋碳化学体系的缓冲能力等4个科学挑战。截至2017年8月已经完成的8个IODP气候变化主题航次聚焦于亚洲—太平洋—印度洋区域的季风过程和西太平洋暖池的新生代演变,着重探索轨道—千年尺度上亚洲季风系统的变化特征和主导机制,以及构造时间尺度上亚洲季风与青藏高原隆升和剥蚀的动力联系。未来2年IODP将瞄准南半球高纬的冰盖、海冰、洋流和碳循环等气候因子,重点考察新生代西南极冰盖和海冰变化、白垩纪和古近纪南大洋的海洋环流和碳循环等。因此,IODP旨在深入探索以亚洲季风和西太平洋暖池为代表的热带海洋气候过程和以西南极冰盖为代表的高纬气候因子在多种时间尺度上的演变,为认识当前气候变化、预测未来气候趋势提供自然变化的科学依据。中国的优势在于全球季风概念和热带驱动假说方面的研究,特别是巽他陆架的气候效应。

  • 大洋钻探科学目标展望
    王风平, 陈云如
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1277-1286. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1277
    摘要 (1620) PDF全文 (998) HTML (27)   可视化   收藏

    发现海底沉积物深处乃至岩石中仍然有生命,是“大洋钻探计划”开展近半个世纪以来最令人激动的重要发现之一,即大洋“深部生物圈”的发现。近年来,深部生物圈的发现与探索已成为地质学和生物学领域最令人兴奋的研究前沿之一,生物圈前沿即深部生命、生物多样性和环境驱动的生态系统成为新的国际大洋发现计划(IODP 2013-2023)的四大研究主题之一。通过对深部生物圈研究历史进行简单回顾,介绍深部生物圈及其环境特征,目前已经完成的以探究地壳和海洋沉积物中生物圈为目标的大洋钻探计划(IODP)航次,深部生物圈研究的前沿科学问题,已经取得的重大研究进展和面临的挑战,以及中国科学家的贡献和深部生物圈的未来发展的建议与展望。

  • 大洋钻探科学目标展望
    赵玉龙, 刘志飞
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1287-1296. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1287
    摘要 (1879) PDF全文 (639) HTML (11)   可视化   收藏

    等积体是海洋沉积最重要的类型之一,通常记录了长期的高分辨率古环境和古海洋演化信息,同时对海洋工程和油气开发等领域具有重要意义。通过对全球大洋进行钻探取芯和地球物理勘探,国际大洋钻探计划,尤其是最新阶段的“综合大洋钻探计划(IODP)”和 “国际大洋发现计划(IODP)”,在理解等积体的全球分布特征及其揭示的古环境和古海洋演化信息方面做出了巨大的贡献。研究显示,等积体在全球大洋中的空间分布主要受大洋深层环流的影响,但在特定海区的沉积和分布则受到构造活动、深层海流强度和沉积物供应等多种因素的影响。全球深层海流强度的变迁则受到气候变化,如新生代全球变冷、北半球冰盖扩张、季风强度演变以及构造活动和水团来源等因素的影响,不同海区的主要影响因素也有所不同。

  • 大洋钻探科学目标展望
    方家松, 李江燕, 张利
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1297-1306. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1297

    过去50年深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)及综合大洋钻探计划(IODP)等国际间综合深海钻探计划的实施,使我们对地球和海洋的认识取得了显著进步。海底井控观测装置(CORK)的研发和应用是上述深海钻探计划带给我们的最宝贵财富之一。目前地球科学和海洋科学已由过去的间断性观测模式升级为现在的连续性原位观测模式,海底CORK观测系统为地球科学、海洋科学与生命科学领域的科学家对海底洋壳复杂而又相互关联的深部过程进行数秒至数十年时间尺度的研究提供了新手段和新机遇。通过对海底CORK观测系统的发展演变、在ODP和IODP航次中的使用以及在此过程中获得的科学经验和教训进行总结,对CORK系统如何应用于我国洋壳地质学、水文学、微生物学及生物地球化学过程研究提出看法。

  • 大洋钻探科学目标展望
    吕璇, 刘志飞
    地球科学进展. 2017, 32(12): 1307-1318. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.12.1307
    摘要 (2236) PDF全文 (602) HTML (15)   可视化   收藏

    大洋红层作为一种特殊的海相沉积,代表了典型的富氧沉积环境,具有重要的科学研究价值。从大洋红层发现以来已开展大量的研究,但研究主要集中在白垩纪大洋红层,对整个大洋红层的特征及其科学研究意义的认识还不够全面。因此,在回顾大洋红层研究进展的基础上,总结其全球性的空间分布特征,对矿物和元素组成进行对比,发现主要矿物组分和元素组成与大洋红层的致色并无直接关系,而主要受到区域环境和物源来源的影响。大洋红层的致红是由铁氧化物或者含锰方解石控制,主要有2种成因机制:①因氧化条件而形成致色矿物;②因低沉积速率而形成致色矿物。因此,大洋红层所具有的独特成因机制和全球分布特征,使其对指示古沉积环境特征、重建古洋流发育、推测古气候变化具有重要的科学研究意义。在已有研究进展的基础上,提出未来展望,以期从多元化方向对全球大洋红层开展深入的研究。

  • 冰期出露的巽他陆架:古气候与古生态意义
    汪品先
    地球科学进展. 2017, 32(11): 1119-1125. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.11.1119

    古气候研究中一个关键性的争论问题,是陆地植被及其碳库在冰期旋回里的作用。今天亚马逊河盆地发育着全球最大的热带雨林,也是陆地上重大的碳库,而在冰期时东南亚的巽他陆架出露成陆,形成又一个巨大的热带雨林,引起全球碳循环的重大变化。为此,需要在巽他陆架进行大洋钻探,揭示近几百万年来该热带地区的海面升降、河系发育、植被与碳库演变,以及生物地理的历史。

  • 李丽, 徐沁
    地球科学进展. 2017, 32(11): 1126-1136. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.11.1126

    海平面变化是全球变化的重要组成部分,不仅涉及自然环境和生态的变化,而且对人类社会的经济和发展也有重大影响。只有了解海平面变化历史,发现和掌握海平面变化规律,才能建立可靠的海平面变化模型,提高未来海平面变化的预能力。巽他陆架地处太平洋和印度洋的交界,位居世界陆架面积第二,陆架宽,坡缓水浅,对海平面变化敏感,是研究海平面变化的理想之所。简要介绍了海平面重建的方法,回顾了巽他陆架区域不同地质时期海平面变化的研究成果:总体而言,上新世巽他陆架海平面比现在高50~100 m,之后随两极冰盖发育海平面逐渐下降,在第四纪海平面受冰盖消涨影响而周期性升降,波动幅度达130 m, 记录较多的全新世研究显示了末次冰消期以来海平面的快速上升以及中全新世高海平面时期,近代观测表明最近200多年海平面呈上升趋势并且自20世纪开始上升加速。同时不同的研究方法和区域造成的结论差异说明海平面重建影响因素的复杂性和时空分布的多变性。

  • 贺娟
    地球科学进展. 2017, 32(11): 1137-1146. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.11.1137

    巽他陆架因其独特的地理位置,在冰期循环中发生的变化和发挥的作用一直受到科学界的关注。目前对区域内的古温度变化已有一致认识,但对古降水重建的结果却一直存在争议。在巽他陆架区域现有末次冰期以来氢、氧同位素记录的基础上,结合其他资料,将区域内的降水记录大致分为南、北两区。北区冰期时降水量变化不大,气候仍然湿润;而南区降水量下降,气候变干。冰期时巽他陆架南、北区的降水同位素差异可能与区域内的大尺度环流,及南、北降水同位素的主要控制因素不同有关。受目前数据记录的局限,区域内古降水变化的这一划分和降水同位素的差异机制还需要更多工作的补充和完善。

  • 戴璐
    地球科学进展. 2017, 32(11): 1147-1156. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.11.1147

    迄今为止,末次冰期低海平面时南海南部暴露的巽他大陆架被稀树草原或是热带雨林覆盖的问题仍然存有争议。来自于东南亚的孢粉证据表明,末次冰期时南海南部没有出现持续而广泛的草本花粉增多现象,主要的孢粉成分仍为低地雨林和山地雨林。草本花粉占主导的证据多出现在澳大利亚北部,这可能指示了草本植物以现代稀树草原分布区为中心进行扩张。据此,可以认为,尽管末次冰期气候有所变干,但南海南部周边陆地以及暴露的巽他大陆架上可能仍然被热带森林所覆盖。这一推断不仅得到了该区域植被—古气候模拟的支持,也与热带南美洲的很多孢粉证据相对应。通过当前孢粉证据的总结,发现东南亚古植被重建工作存有一些不足,例如海洋孢粉记录数量稀少,缺乏对海洋孢粉组合与内陆植被关系的了解。

  • 研究论文
    贾国东
    地球科学进展. 2017, 32(11): 1157-1162. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.11.1157

    冰期旋回中的碳循环是一个复杂的地球系统科学问题。尽管取得了很大进展,但是定量精细的循环过程仍未解决。其中一个重要的限制因素就是对于陆地生物圈碳储库及其变化的估算尚存在很大的不确定性。位于热带东南亚的巽他群岛是当今陆地生物量最丰富的三大热带森林区之一,对全球陆地生物圈碳储库有重要贡献。在冰期海平面下降时临近的巽他陆架出露成陆地,使得该区域陆地面积增大1倍。出露陆架上的植被状况有可能对冰期旋回中的碳循环产生重要影响。对冰期旋回时的碳循环进行了介绍和讨论,认为应加强对冰期巽他陆架地区古气候和古生态的研究,为定量分析和模拟冰期旋回中的碳循环提供关键数据。

  • 翁成郁
    地球科学进展. 2017, 32(11): 1163-1173. DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.11.1163

    巽他地区位于东南亚热带环境,是世界最主要的三大热带雨林分布区之一,也是世界生物多样性最高的区域之一,同时也是受到物种绝灭威胁最强烈的区域。该区域多样性的形成主要是因其位于温暖湿润的热带、地质历史上位于欧亚板块与印度—澳大利亚板块之间,另外该区域主要为陆架区,被海水分割成分散隔离的众多岛屿,在冰期—间冰期的气候旋回中受到气候与海平面变化的强烈影响加速物种与基因的交流,从而累计大量的物种。在第四纪气候变化时期,温度与海平面变化强烈地影响了物种的分布范围与彼此间的隔离与融合,使得它们的多样性受到较大影响。冰期时海平面的下降使得大面积陆地出露,利于物种的传播与扩展及基因的交流,间冰期时上升的海平面隔离了许多生境,隔离的环境有利于新物种生成,但是绝灭也更容易发生。生物避难所对于物种的存续起着重要作用。而在当前快速气候变暖与人类活动的影响下,避难所显得更加重要,然而,一部分物种虽然可以由此延续,但是大多数物种面临的生存危机可能更大,这是未来该地区生态保护的一大挑战。